CC BY
60
УДК 523.62.726
ОТКЛИК УТРЕННИХ ПОЛЯРНЫХ СИНЯИЙ
И ПОГЛОЩЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ НА ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
В.Б. Белаховский, В.В. Сафаргалеев, О.И. Ягодкина
Полярный геофизический институт КНЦ РАН
Аннотация
В работе исследован отклик в высыпаниях частиц на отрицательный импульс динамического давления солнечного ветра с использованием данных ТВ камеры ПГИ КНЦ РАН в Баренцбурге (арх. Шпицберген) и скандинавского риометра IRIS на примере события 28 Ноября 2000 года. Выделено две стадии отклика. Сначала наблюдается уменьшение риометрического поглощения в центре авроральной зоны и распад сияний вблизи ее полюсной границы. Вторая стадия наступает спустя ~ 10 минут и характеризуется появлением новых ярких форм вблизи полюсной границы овала. Заметных изменений в поглощении в это время не отмечено. Такая реакция сияний и уровня поглощения во время первой стадии может быть обусловлена прохождением фронта МГД-возмущения через источник высыпающихся частиц в магнитосфере. Изменение динамики сияний во время второй стадии мы объясняем крупномасштабной реконфигурацией магнитосферы, которое проявляется в виде изменения положения утреннего вихря ионосферной конвекции в области оптических наблюдений.
Ключевые слова:
солнечный ветер, магнитосфера, ионосфера, SI импульс, полярные сияния, риометрическое поглощение.
Введение
Резкое увеличение динамического давления солнечного ветра (sudden impulse, SI+) сопровождается уярчением полярных сияний и увеличением поглощения космического радиоизлучения [1, 2]). Оба эффекта могут быть объяснены в рамках одной модели - рассеяние частиц в конус потерь из-за развития электронно-циклотронной турбулентности [3]. Реакция высыпаний на внезапное ослабление давления (SI-) - менее изученный вопрос. В работе [4] по данным наземной камеры было обнаружено, что яркость дискретных дуг после ST импульса увеличилась, и полярные сияния стали двигаться к полюсу. Наоборот, в работе [5] по данным ультрафиолетового приемника со спутника POLAR после ST наблюдалось уменьшение интенсивности свечения.
В работе рассмотрен отклик полярных сияний и поглощения космического радиоизлучения на отрицательный импульс динамического давления солнечного ветра Сияния регистрировались в окрестности полюсной границы авроральной зоны, а риометр проводил измерения примерно в центре аврорального овала. Уникальность исследуемого события состоит в том, что ориентация силовых линий, у подножия которых находились пункты наблюдений, относительно фронта распространяющегося в магнитосфере возмущения позволила предположить, что отклик высыпаний на ST будет виден в Баренцбурге и Килписьярви практически одновременно.
Ключевыми инструментами данного исследования являются камера всего неба, установленная в обс. Баренцбург, BAB (78.08°N, 14.2°E), и отображающий (многолепестковый) риометра IRIS в Килписьярви, KIL (69.02°N, 20.79°E). Привлекались также данные радарной системы SuperDARN, отражающие характер ионосферной конвекции в области оптических наблюдений. Для определения параметров межпланетной среды использовались данные трех спутников (ACE, WIND, GEOTAIL), что позволило оценить примерную ориентацию фронта неоднородности.
Результаты
В работе рассмотрено событие, имевшее место 28 Ноября 2000 г. На рис. 1а показаны параметры межпланетной среды по данным спутника WIND и H-компонента магнитного поля на низкоширотной станции Какиока (KAK). На спутнике ST был зафиксирован в 03.10 UT. Время запаздывания отклика магнитосферы на уменьшение давления, проявившееся как ослабление
магнитного поля в КАК, составляет примерно 10 мин и отражает время распространения фронта возмущения от спутника до Земли. Отрицательный импульс динамического давления солнечного ветра совпадает со сменой знака Bz-компоненты ММП.
Используя данные трех спутников ACE, WIND, GEOTAIL и низкоширотной станции КАК была определена ориентация фронта отрицательного импульса в межпланетной среде. Оказалось, что для данного события угол между фронтом и осью X GSE системы координат составил примерно 18°, то есть фронт неоднородности ударил по вечернему флангу магнитосферы.
38 Ноября ЭООО
б
а
Рис. 1. (а) Параметры SI- в межпланетной среде (по данным спутника WIND) и на низких широтах. (б) Предполагаемая ориентация фронта неоднородности
На схеме на рис. 1б сплошной красной линией показана ориентация фронта неоднородности солнечного ветра. Прерывистая линия соответствует фронту МГД - возмущения, инициированного в магнитосфере ударом неоднородности по магнитопаузе. Треугольниками отмечены участки в экваториальной плоскости магнитосферы, магнитосопряженные с пунктами наблюдений KIL и BAB. Предполагая, что источник высыпаний находится в экваториальной плоскости, из схемы видно, что фронт МГД-возмущения достигнет этих участков с относительно небольшим запаздыванием.
Хорошо известно, что полярные сияния являются динамичным явлением. В ситуациях, когда априори не известна форма реакции сияний на отрицательный импульс, в принципе, любое изменение в динамике сияний может быть связано с прохождением МГД-возмущения через область их генерации (в связи с этим отметим разногласия в вышеупомянутых работах [4, 5]). В нашем случае неопределенность может быть уменьшена тем, что момент отклика сияний над Шпицбергеном, Т0, можно попытаться определить по данным риометра в Килписьярви.
На рис. 2 показано поглощение космического радиоизлучения на многолепестковом риометре IRIS (KIL) и H-компонента магнитного поля на станции Тромсе (TRO). Станция TRO попадает в поле зрения риометра. Не иначе как счастливым стечением обстоятельств можно назвать усиление риометричекого поглощения в 03.15 UT. На фоне этого усиления отчетливо просматривается резкое уменьшение поглощения около 03.21 UT, совпадающее с точностью до временного разрешения магнитных данных с началом отрицательной бухты в КАК. Это дает основание связать наблюдаемое риометром явление с прохождением фронта МГД-возмущения (волны разряжения в данном случае) через область, откуда высыпаются энергичные частицы, вызвавшие усиление поглощения в 03.15 UT.
На других магнитных станциях меридионального профиля IMAGE влияние SI импульса практически не проявилось. Поэтому, опираясь на результаты работы [6], мы связываем магнитную вариацию в TRO с локальным уменьшением ионосферной проводимости. В этом случае, ослабление поглощения в 03.21 UT вызвано скорее ослаблением интенсивности высыпаний, чем перемещением источника высыпающихся частиц в магнитосфере. Оптический эффект распространения МГД-возмущения будем искать в данных камеры всего неба после Т0 = 03.20 UT.
Рис. 2. Поглощение космического радиоизлучения на риометре IRIS в KIL (верхняя панель) и магнитное поле на станции TRO (нижняя панель)
На рис. 3 (верхняя панель) показаны данные all-sky камеры, характеризующие авроральную активность над Баренцбургом до и после момента То. Изображения спроектированы на поверхность Земли в географических координатах. Видно, что этот момент характеризуется пропаданием (или, по крайней мере, заметным ослаблением интенсивности) структуры в виде двух лучистых дуг южнее зенита. Такое поведение сияний мы связываем с ослаблением потока высыпающихся частиц. Спустя примерно 10 мин в поле зрения камеры оказываются яркие дискретные формы.
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
Distance from BAB, km
Distance from BAB, km
Distance from BAB, km
Рис. 3. Кадры, показывающие пропадание слабых лучистых форм (верхняя панель) и появление новых авроральных структур (нижняя панель) в ионосфере над ВАВ
Последовательность кадров на нижней панели рис. 3 показывает, что дуги дрейфуют к географическому полюсу из области более низких широт, где они наблюдались до этого, смещаясь вдоль геомагнитной широты. Такое движение источника сияний можно связать с расширением дневной части магнитосферы, которое обусловлено ослаблением динамического давления солнечного ветра. Гипотеза о связи динамики сияний с крупномасштабной реконфигурацией магнитосферы подтверждается данными о характере ионосферной конвекции (рис. 4). На левой панели рис. 4 видно, что через 10 мин после отрицательного SI утренний вихрь расширяется в полуденные часы, а на правой панели граница, от которой происходит отражение радарного сигнала (ее традиционно связывают с границей между замкнутыми и разомкнутыми силовыми линиями), смещается к геомагнитному полюсу.
28 November 2000 SuperDARN
Рис. 4. Реконфигурация ионосферной конвекция по данным радара SuperDARN (левая панель), динамика границы полярной шапки по данным радара CUTLASS (правая панель)
Обсуждение
Мы выдели две стадии отклика полярных сияний и риометрического поглощения на резкое понижение динамического давления солнечного ветра. На первой стадии наблюдается ослабление потока высыпающихся частиц, которое проявляется в имеющихся у нас данных в виде ослабления риометрического поглощения в центре авроральной зоны и исчезновения системы дуг на границе с полярной шапкой. На второй стадии авроральная активность вблизи границы шапки усиливается за счет перемещения сюда сияний из области более низких широт.
Уменьшение интенсивности высыпаний мы связываем с прохождением через источник высыпающихся частиц, располагающийся в экваториальной части силовой трубки, фронта МГД-возмущения, представляющего волну разряжения. В модели [6] волна сжатия, генерируемая во время положительных SI, приводит к увеличению коэффициента анизотропии плазмы, развитию электронно-циклотронной неустойчивости и, как следствие, к рассеянию частиц в конус потерь. Во время отрицательных SI может реализоваться обратная схема. Волна разряжения приводит к уменьшению анизотропии плазмы, «выключению» электронно-циклотронной турбулентности и, как следствие, прекращению рассеяния в конус потерь. Подчеркнем еще раз, что эффект отрицательного
импульса может быть обнаружен наземным наблюдателем в том случае, если высыпания имели место до начала SI, что наблюдалось в разобранном нами случае.
Кроме генерации волны разряжения, уменьшение динамического давления солнечного ветра приводит к движению магнитопаузы в солнечном направлении, то есть к увеличению размеров дневной магнитосферы. При этом источник высыпаний в магнитосфере будет двигаться от Земли, а соответствующий ионосферный эффект будет смещаться к геомагнитному полюсу. В нашем случае существовавшие до момента начала расширения магнитосферы сияния имели дискретный характер, поэтому их смещение нам удалось зафиксировать. Высыпание, ответственное за риометрическое поглощение, не было дискретным. Возможно, по этой причине смещение высыпаний в полюсном направлении в данных риометра нам выделить не удалось.
Выводы
В работе показано, что может существовать две стадии отклика высыпаний на отрицательный импульс динамического давления солнечного ветра. Во время первой стадии наблюдается ослаблений потока высыпающихся частиц, проявляющееся в ионосфере в виде уменьшение яркости сияний и уровня поглощения космического радиоизлучения. Во время второй стадии (через 10 минут) изменение динамики высыпаний обусловлено движением источника высыпающихся частиц из-за крупномасштабной реконфигурации (расширения) дневной магнитосферы.
Авторы благодарны сотрудникам проектов IRIS, SuperDARN, CUTLASS и IMAGE за возможность использования данных, а также В.Г. Воробьеву (ПГИ) за интерес к работе.
Работа поддержана грантом РФФИ №09-05-00818, Программой Президиума РАН № 16 и грантом Совета министров северных стран Nordauropt.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воробьев В.Г. Эффекты в полярных сияниях, связанные с SC // Геомагнетизм и аэрономия. 1974. Т. 14. № 1.
С. 90-92, 2. Ranta A. and Ranta H. Storm sudden commencement observed in ionospheric absorption // Planet. Space Sci. 1990. Vol. 38. P. 365-372. 3. Coroniti F.V., Kennel F. Electron precipitation pulsations // J. Geophys. Res. 1970. Vol. 75. P.279-285. 4. Liou K. Large, abrupt pressure decreases as a substorm onset trigger // Geophys. Res. Lett. 2007. Vol. 34. L14107. 5. Sato N., Y. Murata, H. Yamagishi, A. S. Yukimatu, M. Kikuchi, M. Watanabe, K. Makita, H. Yang, R. Liu, F. J. Rich. Enhancement of optical aurora triggered by the solar wind negative pressure impulse (Si) // Geophys. Res. Lett. 2001. Vol. 28. P. 127-130. 6. Liou K., Newell P.T., Sotirelis T., Meng C.I. Global auroral response to negative pressure impulses // Geophys. Res Lett. 2006. Vol.33. L11103. 7. Safargaleev V., Kozlovsky A, Honary F., Voronin A., Turunen T. Geomagnetic disturbances on ground associated with particle precipitation during SC // Ann. Geophys. 2010. Vol. 28. P. 247.
Сведения об авторах:
Белаховский Владимир Борисович - м.н.с., e-mail: [email protected]
Сафаргалеев Владимир Ваисович - к.ф-м.н., зам. директора института, e-mail: vladimir.Safargaleev@ pgia.ru Ягодкина Оксана Ивановна - к.ф-м.н., с.н.с., e-mail: [email protected]
